Analyse de 10 ans de mesures continues de turbidité

Analyse de 10 ans de mesures continues de
turbidité dans les sections fluviales de l’estuaire
de la Gironde
Isabel Jalón-Rojas1, Sabine Schmidt2, Aldo Sottolichio3
Résumé
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Les estuaires macrotidaux comme la Gironde se caractérisent par la formation
d’une zone de turbidité maximale (ZTM) qui influence le transport et le dépôt des
sédiments fins, l’envasement des chenaux et la qualité de l’eau (consommation
d’oxygène dissous, accumulation de polluants). La compréhension et la prédiction de la
dynamique de la ZTM est donc un enjeu scientifique important et un besoin pour
optimiser la gestion de ces eaux de transition. La dynamique sédimentaire estuarienne
est complexe et fortement variable à plusieurs échelles de temps significatives (de
quelques minutes à plusieurs années). L’objectif de ce travail est l’analyse détaillée de
cette dynamique dans la section fluviale de l’estuaire de la Gironde à partir des séries
continues de turbidité enregistrées depuis 10 ans par le réseau de surveillance
MAGEST. Le réseau MAGEST, assez précurseur en estuaires, compte 4 stations dont 3
sont situées dans les sections tidales. Nous présentons l’intérêt d’une telle base de
mesures à haute fréquence et à long terme pour détailler l’influence de la marée et du
débit fluvial sur les variations de turbidité aux échelles de temps intratidale,
hebdomadaire, saisonnière et multi-annuelle. La persistance et la turbidité de la ZTM
dans les sections fluviales présentent une forte variation interannuelle en fonction des
conditions hydrologiques. L’application de l’analyse spectrale de Lomb-Scargle a
permis d’estimer l’importance des différents forçages (marée, débit fluvial, turbulence)
sur la variabilité de la turbidité pour chaque station du réseau MAGEST.
Introduction
Le système fluvio-estuarien de la Gironde (France Sud-Ouest, Fig. 1) est un
estuaire macrotidal, très turbide, dont la partie amont consiste en deux fleuves tidaux, la
Garonne et la Dordogne. L’onde de marée de type semi-diurne s’y propage jusqu’à
environ 180 km de l’embouchure4, à La Réole et Pessac (Fig. 1). Lors de sa propagation
vers l’amont, l’onde de marée devient asymétrique (phase de flot plus rapide mais plus
courte que celle du jusant) et son amplitude augmente5 pour atteindre un maximum à
120 km de l’embouchure avant de s’atténuer dans les sections fluviales, plus étroites.
1
UMR5805 EPOC, Université de Bordeaux, Pessac - FRANCE, [email protected].
UMR5805 EPOC, CNRS, Pessac - FRANCE, [email protected].
3
UMR5805 EPOC, Université de Bordeaux, Pessac - FRANCE, [email protected].
4
SOTTOLICHIO A., & CASTAING P., « A synthesis on seasonal dynamics of highly-concentrated structures
in the Gironde estuary », Comptes Rendus de l’Academie de Sciences - Serie IIa: Sciences de La Terre et
Des Planetes, nº 329, 1999, p. 795-800.
5
ALLEN G.P., SAUZAY G., & CASTAING P., « Transport and deposition of suspended sediment in the
Gironde Estuary, France », Estuarine Processes, 1977, p. 63-81.
2
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Comme dans de nombreux estuaires macrotidaux 6 7 8 , des quantités importantes de
sédiments fins sont érodées, transportées et déposées pendant les cycles de marée, et des
régions très concentrées en matières en suspension (MES) se forment. Le principal
mécanisme qui piège les particules dans ces zones de turbidité maximum (ZTM, aussi
appelées bouchons vaseux) est le transport net de MES vers l’amont dû à l’asymétrie de
la marée (« tidal pumping9 »). La ZTM joue un rôle important dans les processus de
sédimentation qui peuvent conduire à l’envasement des chenaux 10 , affectant les
profondeurs de navigation. Une meilleure connaissance de la variabilité de la turbidité à
toutes les échelles de temps significatives est essentielle pour mieux comprendre les
processus hydro-sédimentaires, mais aussi pour répondre à des objectifs de gestion, tels
que le suivi de la qualité d’eau des estuaires (DCE), ou encore pour prévoir l’impact
d’aménagements futurs dans l’estuaire et dans son bassin versant. De plus, dans
l’estuaire de la Gironde, plusieurs études ont révélé l’influence de la ZTM sur des
processus biogéochimiques comme la désoxygénation de l’eau11, la limitation des taux
d’échange de gaz à l’interface air/eau 12 ou l’âge moyen des particules13.
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6
GRABEMANN I., UNCLES R.J., KRAUSE G., & STEPHENS J. A., « Behaviour of Turbidity Maxima in the
Tamar (U.K.) and Weser (F.R.G.) Estuaries », Estuarine, Coastal and Shelf Science, nº 45, 1997, p. 235246.
7
GUÉZENNEC L., LAFITE R., DUPONT J.P., MEYER R., & BOUST D. « Hydrodynamics of Suspended
Particulate Matter in the Tidal Freshwater Zone of a Macrotidal Estuary (The Seine Estuary, France) »,
Estuaries, nº 22(3), 1999, p. 717-727.
8
UNCLES, R.J., STEPHENS, J.A., & LAW, D.J., « Turbidity maximum in the macrotidal, highly turbid
Humber Estuary, UK: Flocs, fluid mud, stationary suspensions and tidal bores. Estuarine, Coastal and
Shelf Science », nº 67(1-2), 2006, p. 30-52.
9
ALLEN G.P., SALOMON J.C., BASSOULLET P., DU PENHOAT Y. & DE GRANDPRE C., « Effects of tides on
mixing and suspended sediment transport in macrotidal estuaries », Sedimentary Geology, nº 26, 1980, p.
69-90.
10
DE-JONGE V.N., SCHUTTELAARS H.M., VAN-BEUSEKOM J.E.E., TALKE S.A., & DE-SWART H.E., « The
influence of channel deepening on estuarine turbidity levels and dynamics, as exemplified by the Ems
estuary », Estuarine, Coastal and Shelf Science, nº 139, 2914, p. 46-59.
11
LANOUX A., ETCHEBER H., SCHMIDT S., SOTTOLICHIO A., CHABAUD G., RICHARD M., & ABRIL G.,
« Factors contributing to hypoxia in a highly turbid, macrotidal estuary (the Gironde, France) »,
Environmental Science: Processes & Impacts, nº 15(3), 2013, p. 585-595.
12
ABRIL G., COMMARIEU M.V., SOTTOLICHIO A., BRETEL P., & GUÉRIN F., « Turbidity limits gas
exchange in a large macrotidal estuary », Estuarine, Coastal and Shelf Science, nº 83, 2009, p. 342-348.
13
SAARI H.-K., SCHMIDT S., CASTAING P., BLANC G., SAUTOUR B., MASSON O., & COCHRAN J.K., « The
The particulate 7Be/210Pbxs and 234Th/210Pbxs activity ratios as tracers for tidal-to-seasonal particle
dynamics in the Gironde estuary (France): implications for the budget of particle-associated
contaminants« , The Science of the Total Environment, nº 408, 2010, p. 4784-4794.
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Figure 1. Localisation de la zone d’étude : le système fluvio-estuarien de la Gironde
avec ses principaux tributaires (la Garonne et la Dordogne). Les cercles noirs
montrent les stations de surveillance MAGEST et les carrés blancs signalent les
stations hydrométriques.
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Les investigations antérieures sur l’estuaire de la Gironde ont permis de
comprendre les mécanismes basiques de formation de la ZTM et ses dynamiques,
essentiellement dans l’estuaire aval141516. La partie amont est moins documentée. Or,
pour aborder la compréhension de l’évolution à long-terme des dynamiques
sédimentaires, il est aussi nécessaire de connaître la dynamique de la ZTM dans la zone
fluviale. La variabilité à long terme et les évènements de basse fréquence (typiquement
les crues) sont souvent difficiles à quantifier en raison du manque de données fiables sur
des périodes suffisamment longues. Avec le réseau MAGEST (MArel Gironde
ESTuaire) qui dispose de stations de mesures en continu et en temps réel depuis 2004, il
est maintenant envisageable de progresser sur ces questions. Ce travail présente ainsi
une base de données de 10 années de mesures de turbidité à haute fréquence pour
analyser et discuter les dynamiques sédimentaires à différentes échelles de temps dans
l’estuaire fluvial de la Gironde (Garonne et Dordogne tidales). Cet exemple illustre
l’intérêt d’une telle surveillance continue de turbidité à long-terme dans les
environnements estuariens.
Méthodologie
Le réseau MAGEST
14
ALLEN G.P., SALOMON J.C., BASSOULLET P., DU PENHOAT Y. & DE GRANDPRE C.,« « Effects of tides
on mixing and suspended sediment transport in macrotidal estuaries », Sedimentary Geology, 1980, nº 26,
p. 69-90.
15
CASTAING P., Le transfert à l’océan des suspensions estuariennes: cas de la Gironde, Thèse Université
de Bordeaux, 1981, 179 pp.
16
SOTTOLICHIO A., & CASTAING P., « A synthesis on seasonal dynamics of highly-concentrated structures
in the Gironde estuary » , Comptes Rendus de l’Academie de Sciences - Serie IIa: Sciences de La Terre
et Des Planetes, nº 329, 1999, p. 795-800.
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Le traitement des données
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L’estuaire de la Gironde dispose d’un réseau de surveillance automatisé de
mesures à haute fréquence, appelé MAGEST, pour le suivi en continu de la qualité de
l’eau. Ce réseau compte 4 stations automatiques (Fig. 1) : Pauillac (depuis le 15 juin
2004), Bordeaux (depuis le 1 mars 2005), Libourne (depuis le 16 novembre 2004) et
Portets (16 novembre 2004 au 11 janvier 2012). Ces systèmes mesurent l’oxygène
dissous, la température, la turbidité et la salinité toutes les 10 minutes à 1 m sous la
surface libre. Les stations de Bordeaux, de Portets et de Libourne mesurent également la
hauteur d’eau du site. La sonde de turbidité (Endress and Hauser, CUS31-W2A) mesure
des valeurs entre 0 et 9999 NTU avec une précision de 10%. La valeur de saturation du
capteur, 9999 NTU, correspond à environ 6 g L-1 d’après des calibrations très récentes
menées sur des particules prélevées à chacun des sites17. Pour une description complète
du programme de surveillance, des caractéristiques techniques du système et pour des
exemples des tendances des paramètres mesurés, le lecteur pourra se référer à Etcheber
et al.18 et Schmidt et al19.
De plus, l’estuaire dispose de marégraphes gérés par le Grand Port Martime de
Bordeaux (GPMB) qui mesurent toutes les 5 minutes le niveau de la marée à Bordeaux
et à Pauillac. Les débits fluviaux de la Garonne et de la Dordogne sont mesurés aux
stations hydrométriques de La Réole (source SPC) et de Pessac (source DREAL
Aquitaine) respectivement, avec un pas de temps variable entre 1 et 24 heures.
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La première étape indispensable à l’exploitation des données de turbidité est le tri
et le nettoyage de la base de données brutes enregistrées par les quatre stations
MAGEST. Une fois les mesures rapatriées sur le serveur de gestion, il y a deux niveaux
de contrôle des données : un contrôle automatique, selon des gammes de valeurs
déterminées, et un contrôle visuel. Ainsi, à chaque donnée est associé un code de qualité
qui comprend 6 classes : (0) non qualifié ; (1) bon ; (2) hors statistiques ; (3) douteux ;
(4) faux ; (9) manquant. Toutefois il est nécessaire de vérifier la cohérence des données,
notamment pour la valeur de turbidité de 9999 NTU. En effet cette valeur correspond à
la valeur de saturation, mais aussi à la valeur du capteur quand il est en défaut. Afin
d’identifier et de supprimer les valeurs fausses, la première étape a consisté à
représenter les données et leur code de qualité. La figure 2.A montre un exemple de ce
type de représentation pour l’année 2006 à la station de Libourne. Il est visible sur cette
figure que la méthode semi-automatique de validation identifie la plupart des données
fausses. Cependant il ressort une apparente surestimation de données qualifiées
douteuses ou fausses quand la sonde sature ou quand il se produit un changement
brusque de tendance. Outre les codes qualité, un critère additionnel a été développé pour
17
SCHMIDT S., OUMAR L, COSSON B., DERRIENNIC H., LEBLEU P., 6 BERTIER C., « Relation entre la
turbidité et la charge en matière en suspension dans l’estuaire de la Gironde : impact de la taille des
particules sur l’estimation de la concentration particulaire », Colloque Instrumentation haute fréquence
pour l’observation et la surveillance d’environnement marin, 2014.
18
ETCHEBER H., SCHMIDT S., SOTTOLICHIO A., MANEUX A., CHABAUD G., ESCALIER J.-M., WENNEKES
H., DERRIENNIC H., SCHMELTZ M., QUÉMÉNER L., REPECAUD M., WOERTHER P., & CASTAING P., «
Monitoring water quality in estuarine environments : lessons from the MAGEST monitoring program in
the Gironde fluvial-estuarine system », Hydrology and Earth System Sciences, nº 15, 2011, p. 831-840.
19
SCHMIDT S., ETCHEBER H., SOTTOLICHIO S., CASTAING P., « Le réseau MAGEST : bilan de 10 ans de
suivi haute-fréquence de la qualité des eaux de l’estuaire de la Gironde », dans Mesures haute résolution
dans l'environnement marin côtier, Presses du CNRS, 2015.
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tester si la valeur de 9999 NTU correspond à une erreur de la mesure ou bien à la
saturation du capteur par une élévation de turbidité, auquel cas la donnée est à
conserver. Le principe est de considérer comme fausses les valeurs égales à 9999 NTU
lorsque les trois valeurs précédentes et suivantes sont inférieures à 1000 NTU (ligne
bleue sur la figure 2.A), c’est-à-dire quand il n’y a pas une augmentation progressive
des valeurs jusqu’à 9999 NTU. La figure 2.B montre la base de donnés propre, en trait
noir, et les valeurs 9999 NTU identifiées comme fausses (en gris) par ce nouveau
critère. Cette méthode s’est avérée très efficace et rapide pour le nettoyage de la base de
données de turbidité.
Cette étape a conduit à la suppression de 7,65%, 8,77%, 13,91% et 20,61% des
données enregistrées par les stations de Pauillac, Bordeaux, Portets et Libourne,
respectivement. Ainsi, du 1 janvier 2005 au 30 juin 2014, la base de données de
turbidité du réseau MAGEST compte 1.223.486 valeurs valides. Cela correspond à un
taux de fonctionnement correct de 57%, 71%, 70% et 70% du temps respectivement à
Pauillac, Bordeaux, Portets et Libourne.
Figure 2. Exemple d’identification des donnés fausses dans l’étape de tri et de
nettoyage des données de turbidité à Libourne pour l’année 2006 : (A) Série
temporelle des données brutes avec leur code de qualité (1=bon, 2=hors statistiques,
3=douteux, 4=faux). La ligne bleue en pointillés représente le seuil utilisé dans le
critère d’identification des valeurs 9999 NTU fausses ; (B) Série temporelle propre, en
trait noir ; les données fausses supprimées sont figurées en gris.
Une fois la base de données propre, la turbidité a été analysée en fonction des
débits fluviaux et des hauteurs d’eau à différentes échelles de temps. Pour mieux cerner
la variabilité subtidale, nous avons calculé les moyennes de turbidité pour chaque cycle
de marée semi-diurne (moyenne tidale), ainsi que le marnage correspondant. Pour éviter
des valeurs biaisées, les moyennes ont été calculées uniquement quand les valeurs
brutes enregistrées couvraient au moins 70% du cycle de marée. Comme les directives
de gestion reposent souvent sur des moyennes journalières, les moyennes tidales (12,5h)
et journalières (24h) ont été comparées (figure 3). Il ressort une très bonne
correspondance entre les deux calculs pour la turbidité (R2=0.993), ce qui valide
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l’utilisation de la moyenne journalière, plus simple à calculer, pour analyser la
variabilité subtidale.
La présence de la ZTM a été définie par une moyenne tidale de turbidité supérieure
à 1000 NTU (~1g L-1) 20 . Des analyses spectrales dont le périodogramme de LomScargle 21 ont été appliquées pour identifier les fréquences les plus significatives des
séries temporelles de turbidité de chaque station et les différents forçages qui induisent
la variabilité. Nous avons retenu l’algorithme écrit sur MATLAB par Brett Shoelson
(http://www.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/993-lombscargle-m) sur la
base de Press et al.22. Ce périodogramme est dérivé de l’analyse de Fourier classique,
mais présente l’avantage d’être applicable à des données non-équidistantes, et donc aux
séries temporelles hautes-fréquentes avec des données manquantes. Cette méthode
permet aussi d’identifier quelles fréquences sont statistiquement significatives.
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Figure 3. Comparaison des moyennes tidale et journalière de turbidité pour la station
de Bordeaux.
Résultats et Discussion
La turbidité présente une variabilité complexe et montre une grande gamme de
valeurs aussi bien dans la Garonne que dans la Dordogne : de 10 NTU en saison
humide, quand la ZTM est dans l’estuaire aval, jusqu’à 9999 NTU en étiage, quand la
ZTM remonte vers l’amont. La figure 4.A présente la série temporelle de turbidité de
Bordeaux depuis 2005, pour illustrer les dynamiques de MES aux différentes échelles
temporelles :
i)
20
Variabilité à court terme : Les mesures à haute fréquence détaillent
l’évolution de la turbidité liée aux cycles de marée et permettent
d’enregistrer le signal de turbidité au cours des crues, souvent bref et limité
à quelques jours. La figure 4.B.1 montre un exemple de mesures continues
ALLEN G.P., SAUZAY G., & CASTAING P., « Transport and deposition of suspended sediment in the
Gironde Estuary, France », Estuarine Processes, 1977, p. 63-81.
21
SCARGLE J.D., « Studies in astronomical time series analysis. II. Statistical aspects of spectral analysis
of unevenly spaced data », Atrophys J, nº 273, 1982, p. R1540-1549.
22
PRESS W., TEUKOLSKY S., VETTERLING W., & FLANNERY B. « Numerical recipes in C: the art of
scientific computing », Cambridge Universtiy Press, 1992, 1018 pp.
Variabilité hebdomadaire : Le marnage minimal, moyen et maximal
mesuré à Bordeaux pour la période janvier 2005–juin 2014 est de 2,6, 4,9 et
6,6 m respectivement. La variation du marnage lors d’un cycle vives eauxmortes eaux induit des changements dans la vitesse du courant et donc dans
la contrainte de cisaillement sur le fond. Pendant les vives-eaux, les
contraintes de cisaillement sont plus fortes, ce qui favorise une plus forte
remise en suspension des sédiments et donc des turbidités élevées 25 . La
figure 4.C illustre cette dynamique en comparant l’évolution de la turbidité
et du marnage pendant août 2009 : le pic de turbidité associé à la
resuspension était de 3750 NTU pour le marnage le plus faible (3,7 m),
contre 9999 NTU pour les vives-eaux (marnages entre 5 et 6 m). La
turbidité présente des valeurs plus grandes en déchet qu’en revif, ce qui
indique la consolidation des sédiments déposés pendant les mortes-eaux26,
quand les vitesses de courant, et donc la resuspension, sont plus faibles.
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pendant une période d’étiage (débit < 120 m3s-1) quand la ZTM est présente
à Bordeaux. L’effet des échanges eau-sédiment au cours d’un cycle de
marée sont illustrés : décantation des particules autour des étales de marée
(haute et basse) quand les courants sont faibles, forte remise en suspension
et transport des sédiments par les courants de marée pendant le flot et le
jusant. Ces schémas sont identiques à ceux préalablement détaillés dans
l’estuaire aval23.
La figure 4.B.2 montre le signal de turbidité associé à une crue printanière
en 2007 (de 480 m3.s-1 le 27 mai, le débit culmine à 1730 m3.s-1 le 28 et
diminue jusqu’à 1070 m3.s-1 à l’issue du 29 mai.). Dans cet exemple, la
turbidité est minimale pendant le flot, quand les courants de marée sont
opposés au flux du fleuve, et atteint le maximum entre mi- jusant et marée
basse. D’autres évènements de crue présentent un pic de turbidité à mi-flot,
suggérant une remise en suspension locale de sédiments déposés et donc la
présence de vase dans la section fluviale. L’analyse systématique de tous
les évènements de crue enregistrés à Bordeaux montre que la turbidité est
un indicateur de la présence de vase dans l’estuaire amont24.
23
ALLEN G.P., SALOMON J.C., BASSOULLET P., DU PENHOAT Y. & DE GRANDPRE C.,« Effects of tides on
mixing and suspended sediment transport in macrotidal estuaries », Sedimentary Geology, 1980, nº 26, p.
69-90.
24
JALÓN-R OJAS I., SCHMIDT S., & SOTTOLICHIO A., « Turbidity in the fluvial section of the Gironde
Estuary (France) based on 10-year continuous monitoring : sensivity to hydrological conditions », pour
être soumis à Hydrol. Earth Syst. Sci., en préparation.
25
CORMAULT, P. « Determination experiment du debit solide d’érosion des sediments fins cohésifs »,
IAHR XIV Congress, 1971.
26
GRABEMANN I., UNCLES R.J., KRAUSE G., & STEPHENS J. A., « Behaviour of Turbidity Maxima in the
Tamar (U.K.) and Weser (F.R.G.) Estuaries », Estuarine, Coastal and Shelf Science, nº 45, 1997, p. 235246.
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Figure 4. (A) Série temporelle de turbidité à Bordeaux (pas de temps de 10 min) et de
débit de la Garonne à La Réole. Différentes échelles de temps sont détaillées : (B)
valeurs instantanées de turbidité et d’hauteur d’eau pendant 48h d’étiage (B.1 : débit <
120 m3.s-1) ou de crue (B.2 Débitpic = 1730 m3.s-1) ; (C) impact du marnage sur la
moyenne tidale de la turbidité; (D) lien entre débit fluvial et de turbidité (moyenne
tidale); (E) évolution de la turbidité (moyenne tidale) et débit fluvial entre une année
sèche (2012) et une année humide (2013).
iii)
Variabilité saisonnière : L’observation des cycles annuels de turbidité et de
débit fluvial (figure 4.A) met en évidence la relation étroite entre ces deux
variables dans l’estuaire fluvial. La figure 4.D détaille cette relation pour
l’année 2010 : la ZTM se déplace vers l’amont à mesure que le débit fluvial
diminue et s’installe, en général, dans les sections fluviales pendent l’été
(moyennes tidales de turbidité entre 1000 et 8000 NTU). Avec les
premières crues automnales, voire hivernales, la ZTM se déplace vers
l’aval. Pendant les périodes de forts débits, la turbidité est minimale en
amont. La comparaison des turbidités au cours des périodes d’installation et
d’expulsion de la ZTM montre que, pour une même valeur de débit, la
turbidité est systématiquement plus élevée pendant l’expulsion. Ces cycles
d’hystérésis lors des périodes de transition de la ZTM suggèrent la
persistance d’un dépôt de sédiment piégé dans les sections fluviales après le
passage de la ZTM27.
Variabilité interannuelle : Un des principaux enjeux de la dynamique
sédimentaire des estuaires est la variabilité aux échelles temporelles
longues pour mieux comprendre l’évolution morphologique des fleuves
tidaux ou la qualité de l’eau. Il y a une forte variabilité interannuelle de la
durée de la présence et de la concentration de la ZTM dans la Garonne
tidale à Bordeaux (figure 4.A), même si la saturation de la sonde ne permet
pas d’accéder aux valeurs maximales de turbidité. La figure 4.E compare
l’évolution de la moyenne tidale de turbidité avec le débit fluvial pendant
les années 2012 (sèche) et 2013 (humide) et le Tableau 1 récapitule la durée
et la turbidité moyenne maximale enregistrées par la station MAGEST. Les
années caractérisées par des débits élevés et des étiages courts, comme
2008 ou 2013, sont défavorables à une présence prolongée de la ZTM en
amont à la différence des années sèches comme 2011 ou 2012. Par exemple
en 2012 la ZTM a persisté à Bordeaux pendant 168 jours et atteint une
turbidité maximale de 7665 NTU, contre 93 jours et 5828 NTU en 2013.
Une explication serait que plus les crues sont nombreuses et fortes, plus
importantes seront les quantités de sédiments expulsées vers l’aval, voire la
région côtière. Pour les années 2005, 2008, 2011 et 2012, la ZTM est aussi
apparue en hiver à Bordeaux durant des périodes de débit faible. La figure
4.E illustre clairement cette variabilité interannuelle de turbidité avec
notamment la présence hivernale de la ZTM en mars 2012, qui a été la plus
longue (39 jours), et la plus turbide (3779 NTU), depuis le début du suivi
haute-fréquence.
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27
JALÓN-R OJAS I., SCHMIDT S., & SOTTOLICHIO A., « Turbidity in the fluvial section of the Gironde
Estuary (France) based on 10-year continuous monitoring : sensivity to hydrological conditions », pour
être soumis à Hydrol. Earth Syst. Sci., en préparation.
Année
2005
2006
2007
2008
2009
2010
2011
2012
2013
Durée de la ZTM
(jours)
hivernale
Estivale
17
170
239
160
18
100
145
106
9
250
39
168
93
Tmax de la ZTM
(NTU)
hivernale
estivale
1451
6534
6639
7629
3442
5679
5996
7223
1908
7665
3778
7538
5828
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Table 1. Durée et turbidité maximale (moyenne tidale) de la ZTM hivernale
et estivale à Bordeaux par année de suivi haute-fréquence MAGEST.
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L’analyse spectrale permet d’évaluer les échelles temporelles significatives d’une
série de données ; c’est aussi une méthode efficace pour comparer les échelles de
variation entre différents sites. La figure 5 représente les périodogrammes de turbidité
de chaque station en mode log-log, calculés à partir de la totalité des données continues.
Les forçages déterministes sont associés à cinq pics principaux d’énergie dont les
périodes sont : (a) 363 jours, (b) 14,8 jours, (c) 12,42 heures, (d) 6,21 heures, et (e) 4,09
heures. La période (a) est associée à la présence saisonnière du bouchon vaseux, la
période (b) correspond aux cycles vives eaux - mortes eaux, et les cycles (c), (d) et (e)
coïncident avec les périodes caractéristiques de la marée semi-diurne. Cette analyse
confirme la forte interdépendance entre la turbidité, les cycles de marée et le débit
fluvial. De plus, il existe une dynamique stochastique avec un régime qui suit une loi de
puissance (E(f)~f-β) caractérisée par une pente (figure 5) proche de celle de la turbulence
(β=5/3)2829.
28
SCHMITT F. G., « Relating Lagrangian passive scalar scaling exponents to Eulerian scaling exponents in
turbulence », European Physical Journal B, 2008, nº 48, p. 129-137.
29
SCHMITT F.G., DUR G., SOUISSI S., & BRIZARD-ZONGO S., « Statistical properties of turbidity, oxygen
and pH fluctuations in the Seine river estuary (France) », Physica A: Statistical Mechanics and Its
Applications, 2008, nº 387(26), p. 6613-6623.
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Figure 5. Périodogrammes de turbidité en représentation log-log des stations
MAGEST. La ligne en pointillées indique la loi de puissance de la turbulence : E(f)~f5/3
.
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Même si les fréquences les plus significatives et leurs forçages associés sont
communs aux quatre stations, il existe de différences dans l’importance relative de
chaque pic d’énergie. Le pic d’énergie associé à la présence saisonnière du bouchon
vaseux est bien plus faible à la station Pauillac dans l’estuaire central, par rapport aux
stations fluviales. Cela tient au fait que, dans cette section, il existe une ZTM quasi
permanente qui coïncide avec une zone de fort piégeage de vase 30. Plus la station est en
amont, plus les pics associés à la marée sont petits, en particulier celui associé aux
cycles vives eaux-mortes eaux. Enfin, notons qu’à Bordeaux un pic d’énergie modeste
(f, 6 mois) pourrait correspondre à la ZTM hivernale.
Conclusions et Perspectives
La mesure continue à long terme de la turbidité fournit des informations détaillées
sur le fonctionnement de la zone de turbidité maximum (ZTM) dans l’estuaire fluvial de
la Gironde. Le jeu de données haute-fréquence permet de documenter et d’analyser la
dynamique à court terme, mais aussi l’effet des évènements de basse fréquence, associés
aux changements hydrologiques à long-terme et aux évènements de crue. Les sédiments
en suspension dans la ZTM décrivent un cycle de dépôt-mise en suspension-transport,
similaire à celui précédemment décrit par Allen et al.31 dans l’estuaire aval. Au cours
des évènements de crue, le transport depuis l’amont peut être supérieur à la
resuspension locale en fonction de la quantité relative des sédiments déposés sur le lit et
transportés par le fleuve. Ainsi, le mode de variation de la turbidité lors de ces
30
SOTTOLICHIO A., & CASTAING P., « A synthesis on seasonal dynamics of highly-concentrated structures
in the Gironde estuary », Comptes Rendus de l’Academie de Sciences - Serie IIa: Sciences de La Terre et
Des Planetes, nº 329, 1999, p. 795-800.
31
ALLEN G.P., SALOMON J.C., BASSOULLET P., DU PENHOAT Y. & DE GRANDPRE C., « Effects of tides
on mixing and suspended sediment transport in macrotidal estuaries », Sedimentary Geology, 1980, nº 26,
p. 69-90.
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évènements peut être un indicateur du stock de vase estuarienne remontée avec le
bouchon vaseux et piégée dans les fleuves tidaux. Sur une échelle de temps
hebdomadaire, il existe une variabilité prononcée de la turbidité sous l’effet des cycles
vives-eaux–mortes-eaux qui modulent l’intensité de la remise en suspension de
sédiments. A l’échelle de temps saisonnière, la turbidité est fortement affectée par les
changements de débit, qui déplacent la ZTM vers l’amont lors des baisses et vice-versa.
A l’échelle pluri-annuelle, il existe une variabilité de la durée de présence et de la
concentration de la ZTM, associée au régime des fleuves. La pénurie de crues pendant
l’hiver et le printemps limite l’expulsion des sédiments vers l’aval. Ceci, ajouté aux
longues périodes d’étiage, conduit à des ZTM très concentrées avec une présence dans
la Garonne fluviale pouvant se prolonger jusqu’à 70% de l’année. Pendant l’hiver, des
débits fluviaux faibles conduisent à la remontée de la ZTM avant même l’arrivée de
l’étiage estival, bouleversant les schémas saisonniers typiques.
L’analyse spectrale de la turbidité, à un stade préliminaire, confirme les fréquences
de variabilité significatives. Elle montre une influence moindre de la marée
bihebdomadaire pour les stations fluviales, et du débit fluvial pour la station centrale.
Cette analyse se poursuivra en considérant des périodes hydrologiquement différentes,
l’étude de l’évolution du spectre au cours du temps à travers l’analyse d’ondelettes ou
l’analyse spectrale singulière qui a l’avantage d’estimer le pourcentage de variabilité
expliqué par chaque variable.
Il est important de souligner que le réseau fournit des mesures fixes, et à une seule
profondeur. Le jeu de données est donc limité spatialement. Pour compléter la
description des schémas de turbidité dans l’estuaire amont, il sera nécessaire d’examiner
la représentativité des mesures des stations automatiques dans la section transversale et
de connaître la turbidité sur toute la colonne d’eau. Pour cela, 8 campagnes de mesure
ont été réalisées d’avril à novembre 2014 pour mesurer des profils verticaux de turbidité
pendant les cycles de marée complets, à deux points de la section transversale (figure
6.A), illustrés figure 6.B. Ces campagnes sont en cours d’analyse.
Enfin, au-delà de leur analyse, les données haute-fréquence du réseau MAGEST
seront utiles pour améliorer la calibration des modèles numériques hydrosédimentaires
de l’estuaire. Les modèles permettront notamment d’approfondir cette analyse, et
d’accéder, par la simulation, à la turbidité sur l’ensemble de l’estuaire et pour différents
scénarios hydrologiques et climatiques (naturels ou influencés par les activités
humaines).
Figure 6. (A) Localisation des deux points de mesure des profils de turbidité dans la
section transversale de la Garonne, face à la station de Bordeaux. (B) Exemple de
l’évolution de la turbidité mesurée à proximité de la station MAGEST pendant un
cycle de marée (25 juin 2014).
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